In this study, a nonlinear wave simulation code is developed using a higher-order spectral (HOS) method. The HOS method is very efficient because it can determine the solution of the boundary value problem using fast Fourier transform (FFT) without matrix operation. Based on the HOS order, the vertical velocity of the free surface boundary was estimated and applied to the nonlinear free surface boundary condition. Time integration was carried out using the fourth order Runge-Kutta method, which is known to be stable for nonlinear free-surface problems. Numerical stability against the aliasing effect was guaranteed by using the zero-padding method. In addition to simulating the initial wave field distribution, a nonlinear adjusted region for wave generation and a damping region for wave absorption were introduced for wave generation simulation. To validate the developed simulation code, the adjusted simulation was carried out and its results were compared to the eighth order Stokes theory. Long-time simulations were carried out on the irregular wave field distribution, and nonlinear wave propagation characteristics were observed from the results of the simulations. Nonlinear adjusted and damping regions were introduced to implement a numerical wave tank that successfully generated nonlinear regular waves. According to the variation in the mean wave steepness, irregular wave simulations were carried out in the numerical wave tank. The simulation results indicated an increase in the nonlinear interaction between the wave components, which was numerically verified as the mean wave steepness. The results of this study demonstrate that the HOS method is an accurate and efficient method for predicting the nonlinear interaction between waves, which increases with wave steepness.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.8
no.3
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pp.277-300
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2016
The motion of a floating body and the free surface flow are the most important design considerations for ships and offshore platforms. In the present research, a numerical method is developed to simulate the motion of a floating body and the free surface using a fixed rectilinear grid system. The governing equations are the continuity equation and Naviere-Stokes equations. The boundary of a moving body is defined by the interaction points of the body surface and the centerline of a grid. To simulate the free surface the Modified Marker-Density method is implemented. Ships advancing in regular waves, the interaction of waves by a fixed circular cylinder array and the response amplitude operators of an offshore platform are simulated and the results are compared with published research data to check the applicability. The numerical method developed in this research gives results good enough for application to the initial design stage.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.51
no.1
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pp.58-66
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2014
Numerical simulations for the flows containing free surface remain difficult problems because the drastic differences of physical properties of water and air, The difference of densities makes the solution instable in particular. For the stabilities of the solutions, the most typical methods to simulate free surface flows, such as Volume Of Fluid(VOF) and Level-Set(LS) methods, impose transient zones where the physical prosperities are continuously distributed. The thickness of the transient zone is the source of the numerical errors. The other side, marker-density method does not use such a transient zone. In the traditional marker-density method, however, the air velocities of free surface cells are extrapolated from the water velocity, and the pressures on the free surface are extrapolated from the air pressures for the stability of the solution. In this study, the marker-density method is modified for the decrease of such numerical errors. That is, the pressure on the free surface is determined to coincide with the pressure gradient terms of the governing equations, and the velocity of free surface cells are calculated with the governing equations. Two-dimensional steady spilling breakers behind of a submersed hydrofoil and three-dimensional spilling breaker near a wedge shaped ship model are simulated using INHAWAVE-II including the modified marker-density(MMD) method. The results are compared with the results of Fluent V6.3 including VOF method and several published research results.
A Computational Fluid Dynamics model is presented in this study for the simulation of the complex fluid flows with free surfaces inside the Tuned Liquid Column Dampers in horizontal motion. The characteristics of the fluid model of the TLCD in horizontal motion include the free surface of the multiphase flow and the horizontal moving frame. In this study, the time depend unsteady Standard ${\kappa}-{\varepsilon}$ turbulent model based on Navier-Stokes equations is chosen. The volume of fluid (VOF) method and sliding mesh technique are adopted to track the free surface of water inside the vertical columns of TLCD and treat the moving boundary of the walls of TLCD in horizontal motion. Several model solution parameters comprising different time steps, mesh sizes, convergence criteria and discretization schemes are examined to establish model parametric independency results. The simulation results are compared with the experimental data in the dimensionless amplitude of the water column in four different configured groups of TLCDs with four different orifice areas. The predicted natural frequencies and the head loss coefficient of TLCDs from CFD model are also compared with the experimental data. The predicted numerical results agree well with the available experimental data.
All of propagation path loss prediction models, which have been presented up to date, are oかy for ground living space. In reality, sea surface free space is different from ground living space in physical hierarchical structure. If the propagation path prediction model for ground living space is applied to the sea surface free space, propagation path loss will be smaller than actual value, while the maximum service straight line will become shorter. Thus this paper proposed and simulated the propagation path loss prediction model for predicting propagation path loss more accurately in sea surface free space, with its focus on CDMA mobile communication frequency band. Then the simulation results were compared to actual survey to verify its practicality.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.47
no.3
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pp.377-387
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2010
In this study, the turbulent free surface around KVLCC1 employed in the circular motion test simulation is numerically calculated using a commercial CFD(Computational Fluid Dynamics) code, FLUENT. Also, hydrodynamic forces and yaw moments around a ship model are calculated during the steady turning. Numerical simulations of the turbulent flows with free surface around KVLCC1 have been carried out by use of RANS equation based on calculation of hydrodynamic forces and yaw moments exerted upon the ship hull. Wave elevation is simulated by using the VOF method. VOF method is known as one of the most effective numerical techniques handling two-fluid domains of different density simultaneously. Boundary layer thickness and wake field are changed various yaw velocities of ship model during the steady turning. The calculated hydrodynamic forces are compared with those obtained by model tests.
Park, II-Ryong;Kim, Kwang-Soo;Kim, Jin;Van, Suak-Ho
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.47
no.3
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pp.279-290
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2010
In this paper, a VOF method called RHRIC (refined high resolution intertace capturing) is introduced for solving the motion of the free surface and applied to the simulation of the advection of rigid interiaces of different shapes and a 20 dam-break problem, which are typical benchmark test cases. The numerical results for the interface advection cases are compared to the analytic solutions, while the available experimental data and other numerical results of various free surface methods for the dam-break problem are provided for the validation of the proposed VOF method. The same simulations were also carried out using the original HRIC scheme and a modified HRIC scheme called MHRIC for comparison. Although the RHRIC uses a simple order scheme, a basis of the original HRIC scheme, lower than the third-order ULTIMATE-QUICKEST used by the MHRIC, it provides an improved accuracy over the two previous HRIC methods.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.5
no.3
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pp.204-211
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1993
Boundary element method is applied to simulate nonlinear water waves using Green's identity formula in a numerical wave flume. A system of linear equations is formulated from the governing equation and free surface boundary conditions in order to calculate velocity potential and water surface elevation at each nodal point. The velocity square terms are included in the dynamic free surface boundary condition. The free surface is treated as a moving boundary. the vertical variation of velocity potential being considered in calculating the time derivative of the velocity potential at the free surface. The present method is applied to simulate solitary wave and Stokes 2nd order wave, and shows excellent agreements with their theoretical values.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2002.05a
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pp.297-300
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2002
In this study, the deformation of the free surface motion of a magnetic fluid for the change in electromagnetic force is discussed and carried out theoretically and experimentally on the basis of Rosensweig Ferrohydrodynamic Bernoulli Equation. While applied magnetic fields are induced by 4$\times$4 electromagnet located under the magnetic fluid, the surface of the magnetic fluid is formed the balance of surface force, gravity, pressure difference, magnetic normal pressure and magnetic body farce. In case, magnetic fluid in characteristics of fluid adjusted to the opposite direction of the gravity direction. thus, the device of a magnetic fluid proposed the surface actuator. The device of surface deformation as well comparison between numerical simulation and experiments as will be presented.
In this study, we propose a method for characterizing fluid-mechanical properties of a fluid surface, such as surface dilatational and shear viscosity, by matching the flow visualization and the numerical simulation for a Stokes flow in a three-dimensional cavity. The surface flow is driven by shear stress exerted on the free surface by an external gas flow. The external gas flow is simulated by using a commercial code, while the Stokes flow is calculated by an in-house code. We have found that the surface flow is very sensitive to the surface tension and other properties. The qualitative feature of the surface flow can be reproduced by the parameter tuning.
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